WO2016120271A1 - Method and arrangement for joining components by means of laser welding - Google Patents

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WO2016120271A1
WO2016120271A1 PCT/EP2016/051574 EP2016051574W WO2016120271A1 WO 2016120271 A1 WO2016120271 A1 WO 2016120271A1 EP 2016051574 W EP2016051574 W EP 2016051574W WO 2016120271 A1 WO2016120271 A1 WO 2016120271A1
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laser
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PCT/EP2016/051574
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Axel Heinrici
Wolfgang Moll
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Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik
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    • B29C66/81455—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the constructional aspects of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps being a fluid inflatable bag or bladder, a diaphragm or a vacuum bag for applying isostatic pressure
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    • B29K2507/04—Carbon

Definitions

  • the invention relates to a laser welding method for joining a first component arranged on a support from a second component, wherein the components are pressurized in their region to be welded by means of an element which is transparent to the laser beam.
  • the invention also relates to an arrangement for joining a first component to a second component by means of laser beams comprising a support for the components and an element, via which the components can be pressurized in the direction of the support at least in the joining region.
  • the laser beam source facing component is laser beam transparent.
  • Transparent means that laser beams can penetrate the component so that melting and joining can take place in the joining region between the first and second components.
  • the second component has to be laser-beam-absorbing at least in the joining region.
  • Transparent also includes materials that partially absorb the laser beams.
  • a module is positioned on a mounting plate integrally having a heater, wherein the module is force-urged on the side facing away from the mounting plate by a membrane which is subjected to bending deformation during lamination (DE 11 2011 102 313 T5).
  • the membrane starts from a chamber which is adjustable to a further chamber receiving the mounting plate.
  • Object of the present invention is to provide a method and an arrangement of the type mentioned in such a way that with structurally simple measures both a desired Druckbeiersch 1 agung of the area takes place, which is to be joined, as can also be ensured that the components do not be moved.
  • the components are arranged in a space bounded by the support and the element in the form of a flexible element and that the space is subjected to negative pressure such that the flexible element at least partially on the outer contour of at least the element facing the component applies.
  • the invention relates to a method for fixing and pressurizing laser-welding method on a support arranged and with a second component to be joined first component, wherein a flexible element is placed over the components and along the surface of the support, and of the support and the flexible element limited space is evacuated via openings in the surface such that the flexible element at least partially applied to outer contour of at least the flexible element facing component.
  • the flexible element without clamping or fastening means placed over the components and along the surface of the support and is fixed in position by means of the pressure prevailing in the space Lnterdrucks.
  • the components are fixed and positioned relative to one another by arranging the components during welding in a space bounded on one side by the support and on the other hand by the flexible element, which is in particular a foil.
  • the one or more ensures that when evacuating the space an at least partially applying to the or the outer contours takes place, which are facing the flexible element, ie in particular the film.
  • the component facing the laser radiation must be transparent to laser beams.
  • Transparent means that at least a portion of the laser radiation can pass through the component.
  • the component to be penetrated by the laser radiation up to the joining region should have a transmittance of at least 20%, preferably at least 50%. In that regard, the term "transparent" to understand.
  • Material from the group consisting of silicone, polyethylene terephthalate or contains this.
  • the film should have a thickness D of 0.5 mm ⁇ D ⁇ 3 mm.
  • An arrangement of the type mentioned above is characterized in that the element is a flexible element and that the flexible element and the support limit a space which is acted upon by negative pressure such that the flexible element at least partially to outer contour of at least the applies flexible component facing component.
  • the support has Absaugöffhungen over which the room is evacuated.
  • the intermediate space between the flexible element and the support can be evacuated in order to build up the required negative pressure so that the flexible element can adapt to and abut the outer contour of the component or components facing the flexible element, to the required
  • an arrangement for joining a first component to a second component by means of laser beams comprising a support for the components and a flexible element which limits the space with the support, and that the support has openings for evacuating the space to a Vacuum source are connected.
  • the flexible element is fixed in position on the support solely by the negative pressure prevailing in the space.
  • the flexible element is a film, which consists in particular of a material from the group of silicone, polyethylene terephthalate or this, wherein the film should have a thickness D of 0.5 mm ⁇ D ⁇ 3 mm.
  • the second component made of plastic, in particular fiber-reinforced plastic, and or the first component consists of at least one laser-absorbing additive, in particular carbon black, added plastic, preferably fiber-reinforced plastic.
  • Fig. 1 is a plan view of an arrangement for
  • Fig. 3 shows an enlarged view of a marked "B" area of
  • FIG. 2 and Fig. 4 shows the arrangement of FIG. 1 in a perspective view.
  • an arrangement 10 is shown, by means of a. first component 14 is connected to a second component 12 by laser transmission welding.
  • a laser beam source is required, of which the laser beam 16 is indicated in principle.
  • the components 12 and 14 are to be joined in a region 18 in which, due to the laser radiation, the components 14, 12 are to be melted, starting from the lower component 14, which is at least in the region 18, preferably a total of laser radiation absorbing.
  • the plastic component may contain corresponding additives such as carbon black.
  • the upper or second component 12 for laser beams is transparent in the drawing.
  • Transparent means that a transmittance for laser radiation of at least 20%, preferably 50%, is given.
  • the upper or second component 12 which may also be made of plastic, possibly glass-fiber reinforced plastic, must transmit laser beams to an extent such that the joining region 18 is melted, ie the laser radiation in the near-surface region of the lower or first component 14 is converted into heat. so that material melts and thus the components 12 and 14 are connected together.
  • the components 12, 14 In order to be able to fuse the joining partners, that is to say the components 12, 14 by heat conduction, sufficient thermal contact must be ensured. For this purpose, it is necessary that the components 12, 14 are pressurized in the area to be joined. In order to realize the relevant measures, the components 12, 14 are arranged on a support 20 to be designated as a support. The components 12, 14 are then covered by a film 22, which is also transparent to laser beams.
  • the film 22 may consist of silicone or polyethylene terephthalate. Other suitable laser-transparent materials are also suitable. Other prerequisites for the material used is that a sufficient
  • the film 22 should have a filament resistance of at least 240 ° C, preferably at least 260 ° C.
  • the film 22 is placed over the components 12, 14 and along the surface 24 of the support, so the carrier 20, and then via openings 26 extending from the surface 24 of the carrier 20, the gap 25 between the film 22 and the Surface 24 of the carrier 20 to evacuate.
  • the film 22 wraps around the components 12, 14 in their regions facing the film 22, i. H. the film 22 adapts to the outer contours of the regions facing the film 22, the required pressure being applied to the upper or second component 12 in the direction of the lower, depending on the negative pressure prevailing in the space 25 extending between the film 22 and the carrier 20 or first component 14 is generated.
  • the required Druckbeaufschl ensured agitation to ensure the necessary thermal contact between the components 12, 14, so that a proper and reproducible joining when exposed to the laser radiation 16 can be done.
  • the film 22 ensures that the components 12, 14 can not slip against each other, so that an unambiguous positioning takes place.
  • the film 22 is fixed in position by the build-up negative pressure on the surface 24 of the support, without the need for separate fastening or clamping and clamping elements, by means of which the film is fixed, measures that the state of the art compelling dictates.
  • the components 12, 14 are pressurized to the desired extent, so that even thin components can be welded together without the risk of deformation takes place; because As mentioned, the negative pressure in the intermediate space 15 between the film 22 and the carrier 20 is adjustable to the required extent.
  • the film 22 should in particular have a thickness of between 0.5 mm and 3 mm, although this does not restrict the teaching according to the invention.
  • the film 22 should, as mentioned, be transparent to laser beams in the sense indicated above and have the required heat resistance.
  • the film 22 should be flexible to an extent that conforms to the outer contour of at least the upper member 12, wherein depressions or the like emanating from the surface need not be filled. Rather, the film 22 must be applied substantially to the flat surfaces of thelusterkonrur of the upper part 22. But also an application to areas of the outer contour of the lower component 1.4 takes place, as can be seen in principle from the graphic representation.
  • Ura to produce the required laser radiation z. B. a diode laser with a wavelength of 940 nm and a mean regulated power of 500 W are used.
  • the upper part 12 is irradiated to a large extent by the laser radiation, so that the remaining energy in the joining zone, ie in the region 26 of the laser-absorbing partner, ie in the lower part 14, is converted into near-surface heat until melting takes place and the components 12, 14 connect with each other.
  • plastics with high fiber contents and material thicknesses at low levels of transmission of z.
  • Welding area means that welds can be made.
  • the laser beam is imaged with a corresponding optics in a line focus, wherein z. B. Spot dimensions of 1 10 mm apply.
  • the laser beam source can then be guided along the weld to be produced by means of a handling device such as robots.
  • the carrier 20 may be formed as a rotary tilting table, so that all positions of the weld to be produced by the robot and thus the Laserstrah lenqu eil e can be controlled.
  • the laser power can be controlled by a pyrometer during the welding process to prevent decomposition of the film 22.
  • the film 22 itself can be reused for successive welding processes of components to be joined.

Abstract

The invention relates to a laser welding method and to an arrangement for joining a first component (14), arranged on a support (20), to a second component (12), wherein pressure is applied by means of an element that is transparent to the laser radiation (16) to the components (12, 14) in the region thereof that is to be welded. In order to apply pressure to the joining region in a defined manner, it is proposed that the components (12, 14) are arranged in a space (25) that is bounded by the support (20) and the element (22) in the form of a flexible element and that subatmospheric pressure is applied to the space (25) in such a way that the flexible element (22) comes to lie at least in certain regions against the outer contour of at least the component (12) that is facing the element.

Description

Verfahren und Anordnung zum Fügen von Bauteilen mittels Laserschweißens  Method and arrangement for joining components by means of laser welding
Die Erfindimg bezieht sich auf ein Laserschweißverfahren zum Fügen eines auf einer Ab Stützung angeordneten ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, wobei die Bauteile in ihrem zu verschweißenden Bereich mittels eines für die Laserstrahl ung transparenten Elements druckbeaufschl agt werden. The invention relates to a laser welding method for joining a first component arranged on a support from a second component, wherein the components are pressurized in their region to be welded by means of an element which is transparent to the laser beam.
Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Anordnung zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels Laserstrahlen umfassend eine Abstützung für die Bauteile und ein Element, über das die Bauteile zumindest im Fügebereich in Richtung der Abstützung druckbeaufschlagbar sind. The invention also relates to an arrangement for joining a first component to a second component by means of laser beams comprising a support for the components and an element, via which the components can be pressurized in the direction of the support at least in the joining region.
Um Kunststoffteile in überlappenden Bereichen zu verschweißen, kam das Laserdurchstrahl schweißen zur Anwendung gelangen. Hierzu ist es erforderlich, dass das der Laserstrahlenquelle zugewandte Bauteil laserstrahlentransparent ist. Transparent bedeutet dabei, dass Laserstrahlen das Bauteil durchdringen können, damit im Fügebereich zwischen dem ersten und zweiten Bauteil das Aufschmelzen und Fügen erfolgen kann. Hierzu muss das zweite Bauteil zumindest in dem Fügebereich laserstr ahlenabsorbierend sein. Transparent schließt somit auch Materialien ein, die zum Teil die Laserstrahlen absorbieren. In order to weld plastic parts in overlapping areas, laser transmission welding was used. For this purpose, it is necessary that the laser beam source facing component is laser beam transparent. Transparent means that laser beams can penetrate the component so that melting and joining can take place in the joining region between the first and second components. For this purpose, the second component has to be laser-beam-absorbing at least in the joining region. Transparent also includes materials that partially absorb the laser beams.
Um entsprechende Schweißprozesse durchzuführen, ist es des Weiteren erforderlich, dass die Bauteile im oder um den Bereich, in dem ein Verschweißen erfolgen soll, druckbeaufschlagt werden. Hierzu ist es bekannt, das der Laserstrahlen zugewandte Bauteil mit einer Glasplatte abzudecken, über die die Druckbeaufschlagung erfolgt. Häufig gelingt es jedoch nicht oder nur schwer, den erforderlichen Druck in den Fügebereich einzuleiten, insbesondere dann, wenn das obere Bauteil eine komplexe Außenkontur im Bereich der aufliegenden Glasplatte aufweist. Auch besteht die Möglichkeit, mittels Klauen oder Pratzen die erforderliche DrackbeaufscMagung durchzufuhren. Dabei ist es jedoch zwingend erforderlich, dass die entsprechenden den Druck erzeugenden Werkzeugteile in den Bereichen Aussparungen aufweisen, der von der Laserstrahlung zu durchsetzen ist. In order to carry out corresponding welding processes, it is also necessary for the components to be pressurized in or around the area in which welding is to take place. For this purpose, it is known to cover the laser beam facing component with a glass plate over which the pressurization occurs. Often, however, it is difficult or impossible to introduce the required pressure into the joining region, in particular when the upper component has a complex outer contour in the region of the resting glass plate. There is also the possibility of using claws or claws to perform the required DrackbeaufscMagung. However, it is imperative that the corresponding pressure-generating tool parts in the areas have recesses, which is to be enforced by the laser radiation.
Unabhängig von der Art, wie der Druck aufgebaut wird, zeigt sich jedoch der Nachteil, dass in Bauteile, die eine dreidimensionale Außenkontur in ihren der Laserstrahlung zugewandten Bereichen aufweisen, der notwendige Druck nicht eingeleitet werden kann. Auch ist aufgrund der Kontor und der Druckeinleitung das Risiko gegeben, dass die Bauteile zueinander verschoben werden, so dass ein. Verschweißen im gewünschten Bereich nicht zwingend erfolgt. Regardless of the way in which the pressure is built up, however, there is the disadvantage that in components which have a three-dimensional outer contour in their areas facing the laser radiation, the necessary pressure can not be introduced. Also, due to the Kontor and the pressure introduction, the risk that the components are shifted from each other, so that a. Welding in the desired range is not mandatory.
Um Solarzellenmodule herzustellen, ist es bekannt, dass ein Modul auf eine integral eine Heizvorrichtimg aufweisende Montageplatte positioniert wird, wobei das Modul auf der der Montageplatte abgewandten Seite von einer Membran kraftbeaufschlagt wird, die während des Laminierens einer Biegeverformung ausgesetzt wird (DE 11 2011 102 313 T5). Die Membran geht dabei von einer Kammer aus, die zu einer die Montageplatte aufnehmenden weiteren Kammer verstellbar ist. In order to produce solar cell modules, it is known that a module is positioned on a mounting plate integrally having a heater, wherein the module is force-urged on the side facing away from the mounting plate by a membrane which is subjected to bending deformation during lamination (DE 11 2011 102 313 T5). The membrane starts from a chamber which is adjustable to a further chamber receiving the mounting plate.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen sowohl eine gewünschte Druckbeaufsch 1 agung des Bereichs erfolgt, der gefügt werden soll, als auch sichergestellt werden kann, dass die Bauteile zueinander nicht verschoben werden. Object of the present invention is to provide a method and an arrangement of the type mentioned in such a way that with structurally simple measures both a desired Druckbeaufsch 1 agung of the area takes place, which is to be joined, as can also be ensured that the components do not be moved.
Zur Lösung der Aufgabe wird verfahrensmäßig im Wesentlichen vorgeschlagen, dass die Bauteile in einem von der Abstützung und dem Element in Form eines flexiblen Elements begrenzten Raum angeordnet werden und dass der Raum mit Unterdruck beaufschlagt wird derart, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem Element zugewandten Bauteil anlegt. Insbesondere nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zum Fixieren und Druckbeaufschlagen von mittels Laserschweiß Verfahrens auf einer Abstützung angeordnetem und mit einem zweiten Bauteil zu fügendem ersten Bauteil, wobei ein flexibles Element über die Bauteile und entlang der Oberfläche der Abstützung gelegt wird, und von der Abstützung und dem flexiblen Element begrenzter Raum über Öffnungen in der Oberfläche evakuiert wird derart, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem flexiblen Element zugewandten Bauteil anlegt. To solve the problem is procedurally proposed in essence that the components are arranged in a space bounded by the support and the element in the form of a flexible element and that the space is subjected to negative pressure such that the flexible element at least partially on the outer contour of at least the element facing the component applies. In particular, the invention relates to a method for fixing and pressurizing laser-welding method on a support arranged and with a second component to be joined first component, wherein a flexible element is placed over the components and along the surface of the support, and of the support and the flexible element limited space is evacuated via openings in the surface such that the flexible element at least partially applied to outer contour of at least the flexible element facing component.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das flexible Element ohne Spann- oder Befestigungsmittel über die Bauteile und entlang der Oberfläche der Abstützung gelegt und mittels des in dem Raum herrschenden Lnterdrucks lagefixiert wird. It is provided in particular that the flexible element without clamping or fastening means placed over the components and along the surface of the support and is fixed in position by means of the pressure prevailing in the space Lnterdrucks.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt ein Fixieren der Bauteile und Positionieren zueinander dadurch, dass die Bauelemente während des Schweißens in einem Raum angeordnet werden, der einerseits von der Abstützung und andererseits von dem flexiblen Element begrenzt wird, bei dem es sich insbesondere um eine Folie handelt, das bzw. die sicherstellt, dass beim Evakuieren des Raums ein zumindest bereichsweises Anlegen an der bzw. den Außenkonturen erfolgt, die dem flexiblen Element, also insbesondere der Folie zugewandt sind. Hierdurch bedingt erfolgt nicht nur eine eindeutige Positionierung der Bauteile zueinander, sondern gleichzeitig wird der erforderliche Druck in den Bereich eingeleitet, der verschweißt werden soll. On the basis of the teaching according to the invention, the components are fixed and positioned relative to one another by arranging the components during welding in a space bounded on one side by the support and on the other hand by the flexible element, which is in particular a foil. the one or more ensures that when evacuating the space an at least partially applying to the or the outer contours takes place, which are facing the flexible element, ie in particular the film. As a result, not only a clear positioning of the components takes place to one another, but at the same time the required pressure is introduced into the area to be welded.
Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass beim Plastifizieren aufgrund der einwirkenden Laserstrahlung der ausreichende thermische Kontakt herrscht, um die Fügepartner, also die Bauteile zu verbinden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Bauteile in ihren zu verschweißenden Bereichen sich überlappen, so dass ein Laserdurchstrahlschweißprozess erfolgt. By this measure it is ensured that during plasticizing due to the applied laser radiation, the sufficient thermal contact prevails in order to connect the joining partners, so the components. It is provided in particular that the components overlap in their regions to be welded, so that a laser transmission welding process takes place.
Damit bei überlappenden Bauteilen, also Fügepartnern, das Plastifizieren im Fügebereich im erforderlichen Umfang erfolgen kann, muss das der Lascrstrahlung zugewandte Bauteil für Laserstrahlen transparent sein. Transparent bedeutet dabei, dass zumindest ein Teil der Laserstrahlung das Bauteil durchsetzen kann. Dabei sollte das von der Laserstrahlung bis zum Fügebereich zu durchsetzende Bauteil einen Transmissionsgrad von zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 50 %, aufweisen. Insoweit ist der Begriff„transparent" zu verstehen. In order for plasticizing in the joining area to occur to the required extent in the case of overlapping components, ie joining partners, the component facing the laser radiation must be transparent to laser beams. Transparent means that at least a portion of the laser radiation can pass through the component. In this case, the component to be penetrated by the laser radiation up to the joining region should have a transmittance of at least 20%, preferably at least 50%. In that regard, the term "transparent" to understand.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die das flexible Element bildende Folie aus einemIn particular, it is provided that the film forming the flexible element of a
Material aus der Gruppe Silikon, Polyethylentercphthalat besteht oder dieses enthält. Material from the group consisting of silicone, polyethylene terephthalate or contains this.
Die Folie sollte dabei eine Stärke D von 0,5 mm < D < 3 mm haben. The film should have a thickness D of 0.5 mm <D <3 mm.
Ein weiteres Charakteristikum der Folie sollte sein, dass diese eine hinreichendeAnother characteristic of the film should be that this is a sufficient
Wärmebeständigkeit aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine Wärmebeständigkeit bis zumindest 240 °C, insbesondere bis zumindest 260 °C erreicht wird. Having heat resistance, wherein it is provided in particular that a heat resistance up to at least 240 ° C, in particular up to at least 260 ° C is achieved.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Element ein flexibles Element ist und dass das flexible Element und die Abstützung einen Raum begrenzen, der mit Unterdruck derart beaufschlagt wird, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem flexiblen Element zugewandten Bauteil anlegt. An arrangement of the type mentioned above is characterized in that the element is a flexible element and that the flexible element and the support limit a space which is acted upon by negative pressure such that the flexible element at least partially to outer contour of at least the applies flexible component facing component.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Abstützung Absaugöffhungen aufweist, über die der Raum evakuierbar ist. Somit ist auf einfache Weise der Zwischenraum zwischen dem flexiblen Element und der Abstützung evakuierbar, um den erforderlichen Unterdruck aufzubauen, damit sich das flexible Element um die Außenkontur des dem flexiblen Element zugewandten Bauelementes bzw. der Bauelemente anpassen und an diesen bzw. diese anliegen kann, um den erforderlichenIt is particularly provided that the support has Absaugöffhungen over which the room is evacuated. Thus, in a simple manner, the intermediate space between the flexible element and the support can be evacuated in order to build up the required negative pressure so that the flexible element can adapt to and abut the outer contour of the component or components facing the flexible element, to the required
Fügedruck zu gewährleisten, gleichzeitig eine Unverrückbarkeit der Bauteile zueinander sicherzustellen, so dass hochpräzise und reproduzierbar Fügeprozesse durchfuhrbar sind. Insbesondere wird vorgeschlagen eine Anordnung zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels Laserstrahlen, umfassend eine Abstützung für die Bauteile und ein flexibles Element, das mit der Abstützung einen Raum begrenzt, und dass die Abstützung Öffnungen aufweist, die zum Evakuieren des Raums an eine Unterdruckquelle angeschlossen sind. To ensure joint pressure, while ensuring a Ververbarkeit the components to each other, so that high-precision and reproducible joining processes are durchfuhrbar. In particular, it is proposed an arrangement for joining a first component to a second component by means of laser beams, comprising a support for the components and a flexible element which limits the space with the support, and that the support has openings for evacuating the space to a Vacuum source are connected.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass das flexible Element ausschließlich durch den in dem Raum herrschenden Unterdruck auf der Abstützung lagefixiert ist. It should also be emphasized that the flexible element is fixed in position on the support solely by the negative pressure prevailing in the space.
Vorzugsweise ist das flexible Element eine Folie, die insbesondere aus einem Material aus der Gruppe Silikon, Polyethylenterephthalat besteht oder dieses enthält, wobei die Folie eine Stärke D mit 0,5 mm < D < 3 mm aufweisen sollte. Preferably, the flexible element is a film, which consists in particular of a material from the group of silicone, polyethylene terephthalate or this, wherein the film should have a thickness D of 0.5 mm <D <3 mm.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, und oder das erste Bauteil aus mit zumindest einem Laserstrahlen absorbierenden Additiv, insbesondere Ruß, versetztem Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff, besteht. Preferably, it is provided that the second component made of plastic, in particular fiber-reinforced plastic, and or the first component consists of at least one laser-absorbing additive, in particular carbon black, added plastic, preferably fiber-reinforced plastic.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels. For more details, advantages and features of the invention will become apparent not only from the claims, the features to be taken these features - alone and / or in combination - but also from the following description of a drawing to be taken preferred exemplary embodiment.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Anordnung zum Fig. 1 is a plan view of an arrangement for
Laserdurchstrahlungsschweißen,  Laser irradiation welding,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A - A in Fig. 1 , 2 shows a section along the line A - A in Fig. 1,
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung einen mit„B" gekennzeichneten Bereich der Fig. 3 shows an enlarged view of a marked "B" area of
Fig. 2 und Fig. 4 die Anordnung gemäß Fig. 1 in perspektivischer Darstellung. Fig. 2 and Fig. 4 shows the arrangement of FIG. 1 in a perspective view.
In den Figuren ist eine Anordnung 10 dargestellt, mittels der ein. erstes Bauteil 14 mit einem, zweiten Bauteil 12 durch Laserdurchstrahlungsschweißen verbunden wird. Hierzu ist eine Laserstrahlenquelle erforderlich, von der der Laserstrahl 16 prinzipiell angedeutet ist. Laserstrahlenquelle mit der Anordnung 10 bilden, somit eine Anlage zum Fügen der Bauteile 12 und 14. In the figures, an arrangement 10 is shown, by means of a. first component 14 is connected to a second component 12 by laser transmission welding. For this purpose, a laser beam source is required, of which the laser beam 16 is indicated in principle. Form laser beam source with the assembly 10, thus a system for joining the components 12 and 14th
Die Bauteile 12 und 14 sollen in einem Bereich 18 gefügt werden, in dem aufgrund der Laserstrahlung ein Aufschmelzen der Bauteile 14, 12 erfolgen soll, und zwar ausgehend von dem unteren Bauteil 14, das zumindest in dem Bereich 18, vorzugsweise insgesamt laserstrahlenabsorbierend ist. Hierzu kann das aus Kunststoff bestehende Bauteil entsprechende Additive wie Ruß enthalten. Auch kann der Kunststoff faser- wie glasfaserverstärkt sein. The components 12 and 14 are to be joined in a region 18 in which, due to the laser radiation, the components 14, 12 are to be melted, starting from the lower component 14, which is at least in the region 18, preferably a total of laser radiation absorbing. For this purpose, the plastic component may contain corresponding additives such as carbon black. Also, the plastic fiber and glass fiber reinforced.
Demgegenüber ist das in der zeichnerischen Darstellung obere oder zweite Bauteil 12 für Laserstrahlen transparent. Transparent bedeutet dabei, dass ein Transmissionsgrad für Laserstrahlung von zumindest 20 %, vorzugsweise 50 %, gegeben ist. Mit anderen Worten muss das ebenfalls aus Kunststoff, ggf. glasfaserverstärktem Kunststoff bestehende obere oder zweite Bauteil 12 in einem Umfang Laserstrahlen durchlassen, dass der Fügebereich 18 aufgeschmolzen wird, dass also die Laserstrahlung im oberflächennahen Bereich des unteren oder ersten Bauteils 14 in Wärme umgewandelt wird, so dass Material schmilzt und somit die Bauteile 12 und 14 miteinander verbunden werden. In contrast, the upper or second component 12 for laser beams is transparent in the drawing. Transparent means that a transmittance for laser radiation of at least 20%, preferably 50%, is given. In other words, the upper or second component 12, which may also be made of plastic, possibly glass-fiber reinforced plastic, must transmit laser beams to an extent such that the joining region 18 is melted, ie the laser radiation in the near-surface region of the lower or first component 14 is converted into heat. so that material melts and thus the components 12 and 14 are connected together.
Um die Fügepartner, also die Bauteile 12, 14 durch Wärmeleitung plasti fizieren zu können, muss ein ausreichender thermischer Kontakt gewährleistet sein. Hierzu ist es erforderlich, dass die Bauteile 12, 14 in dem zu fügenden Bereich druckbeaufschlagt werden. Um die diesbezüglichen Maßnahmen zu realisieren, werden die Bauteile 12, 14 auf einem als Abstützung zu bezeichnenden Träger 20 angeordnet. Die Bauteile 12, 14 werden sodann von einer Folie 22 abgedeckt, die gleichfalls für Laserstrahlen transparent ist. Die Folie 22 kann aus Silikon oder Polyethyl enterephthalat bestehen. Andere geeignete für Laserstrahlen durchlässige Materialien kommen gleichfalls in Frage. Weitere Voraussetzungen für das verwendete Material ist, dass eine hinreichendeIn order to be able to fuse the joining partners, that is to say the components 12, 14 by heat conduction, sufficient thermal contact must be ensured. For this purpose, it is necessary that the components 12, 14 are pressurized in the area to be joined. In order to realize the relevant measures, the components 12, 14 are arranged on a support 20 to be designated as a support. The components 12, 14 are then covered by a film 22, which is also transparent to laser beams. The film 22 may consist of silicone or polyethylene terephthalate. Other suitable laser-transparent materials are also suitable. Other prerequisites for the material used is that a sufficient
Wärraebeständigkeit besteht. Insbesondere sollte die Folie 22 eine Wirmebeständigkeit von zumindest 240 °C, vorzugsweise von zumindest 260 °C, aufweisen. Heat resistance exists. In particular, the film 22 should have a filament resistance of at least 240 ° C, preferably at least 260 ° C.
Erwähntermaßen wird die Folie 22 über die Bauteile 12, 14 und entlang der Oberfläche 24 der Abstützung, also des Trägers 20 gelegt, um sodann über Öffnungen 26, die von der Oberfläche 24 des Trägers 20 ausgehen, den Zwischenraum 25 zwischen der Folie 22 und der Oberfläche 24 des Trägers 20 zu evakuieren. Infolgedessen legt sich die Folie 22 um die Bauteile 12, 14 in ihrem der Folie 22 zugewandten Bereichen, d. h. die Folie 22 passt sich an die Außenkonturen der der Folie 22 zugewandten Bereiche an, wobei in Abhängigkeit von dem in dem zwischen der Folie 22 und dem Träger 20 verlaufenden Raum 25 herrschenden Unterdruck der erforderliche Druck auf das obere oder zweite Bauteil 12 in Richtung des unteren oder ersten Bauteils 14 erzeugt wird. Somit ist im Fügebereich 1 8 die erforderliche Druckbeaufschl agung gewährleistet, um den notwendigen thermischen Kontakt zwischen den Bauteilen 12, 14 sicherzustellen, damit ein ordnungsgemäßes und reproduzierbares Fügen bei Beaufschlagung mit der Laserstrahlung 16 erfolgen kann. Gleichzeitig stellt die Folie 22 sicher, dass die Bauteile 12, 14 gegeneinander nicht verrutschen können, so dass eine eindeutige Positionierung erfolgt. Mentioned the film 22 is placed over the components 12, 14 and along the surface 24 of the support, so the carrier 20, and then via openings 26 extending from the surface 24 of the carrier 20, the gap 25 between the film 22 and the Surface 24 of the carrier 20 to evacuate. As a result, the film 22 wraps around the components 12, 14 in their regions facing the film 22, i. H. the film 22 adapts to the outer contours of the regions facing the film 22, the required pressure being applied to the upper or second component 12 in the direction of the lower, depending on the negative pressure prevailing in the space 25 extending between the film 22 and the carrier 20 or first component 14 is generated. Thus, in the joining region 1 8, the required Druckbeaufschl ensured agitation to ensure the necessary thermal contact between the components 12, 14, so that a proper and reproducible joining when exposed to the laser radiation 16 can be done. At the same time, the film 22 ensures that the components 12, 14 can not slip against each other, so that an unambiguous positioning takes place.
Die Folie 22 wird durch den sich aufbauenden Unterdruck auf der Oberfläche 24 des Trägers lagefixiert, ohne dass es gesonderter Befestigungs- bzw. Klemm- und Spannelemente bedarf, mittels der die Folie fixiert wird, Maßnahmen, die der Stand der Technik zwingend vorgibt. The film 22 is fixed in position by the build-up negative pressure on the surface 24 of the support, without the need for separate fastening or clamping and clamping elements, by means of which the film is fixed, measures that the state of the art compelling dictates.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können die Bauteile 12, 14 im gewünschten Umfang druckbeaufschlagt werden, so dass auch dünne Bauteile miteinander verschweißt werden können, ohne dass die Gefahr eines Verformens erfolgt; denn erwähntermaßen ist der Unterdrück in dem Zwischenraum 15 zwischen der Folie 22 und dem Träger 20 im erforderlichen Umfang einstellbar. Due to the teaching of the invention, the components 12, 14 are pressurized to the desired extent, so that even thin components can be welded together without the risk of deformation takes place; because As mentioned, the negative pressure in the intermediate space 15 between the film 22 and the carrier 20 is adjustable to the required extent.
Die Folie 22 sollte insbesondere eine Dicke zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweisen, gleichwenn hierdurch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre nicht erfolgt. The film 22 should in particular have a thickness of between 0.5 mm and 3 mm, although this does not restrict the teaching according to the invention.
Die Folie 22 sollte erwähntermaßen für Laserstrahlen im zuvor aufgezeigten Sinne transparent sein und die erforderliche Wärmebeständigkeit aufweisen. The film 22 should, as mentioned, be transparent to laser beams in the sense indicated above and have the required heat resistance.
Auch sollte die Folie 22 in einem Umfang flexibel sein, dass eine Anpassung an die Außenkontur zumindest des oberen Bauteils 12 erfolgt, wobei Vertiefungen oder Ähnliches, die von der Oberfläche ausgehen, nicht ausgefüllt sein müssen. Vielmehr muss sich die Folie 22 im Wesentlichen an die ebenen Flächen der Außenkonrur des oberen Teils 22 anlegen lassen. Aber auch ein Anlegen an Bereiche der Außenkontur des unteren Bauteils 1.4 erfolgt, wie sich aus der zeichnerischen Darstellung prinzipiell erkennen lässt. Also, the film 22 should be flexible to an extent that conforms to the outer contour of at least the upper member 12, wherein depressions or the like emanating from the surface need not be filled. Rather, the film 22 must be applied substantially to the flat surfaces of the Außenkonrur of the upper part 22. But also an application to areas of the outer contour of the lower component 1.4 takes place, as can be seen in principle from the graphic representation.
Ist die erfindungsgem äße Lehre anhand des Verschweißens von aus Kunststoff bestehenden oder Kunststoff enthaltenden Bauteilen in ihren überlappenden Bereichen, also im Schweißbereich 18 erläutert worden, so besteht auch die Möglichkeit, dass nebeneinander geordnete Bauteile an ihrer Stoßstelle entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre verschweißt werden. If the teaching according to the invention has been explained in terms of the welding of components made of plastic or plastic in their overlapping areas, ie in the welding area 18, then it is also possible for adjacent components to be welded at their joints in accordance with the teaching of the invention.
Ura die erforderliche Laserstrahlung zu erzeugen, kann z. B. ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 940 nm und einer mittleren geregelten Leistung von 500 W benutzt werden. Ura to produce the required laser radiation, z. B. a diode laser with a wavelength of 940 nm and a mean regulated power of 500 W are used.
Wichtig ist, dass das obere Teil 12 zu einem hohen Anteil von der Laserstrahlung durchstrahlt wird, so dass die restliche Energie in der Fügezone, also im Bereich 26 des laserabsorbierenden Partners, also im unteren Teil 14 in oberflächennahe Wärme umgewandelt wird, bis ein Schmelzen erfolgt und die Bauteile 12, 14 miteinander sich verbinden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich erwähntermaßen auch Kunststoffe mit hohen Fasergehalten und Materialstärken bei geringen Transmissionsgraden von z. B. Minimum 20 % mit hohen Festigkeiten von ca. 25 N/mm fügen. It is important that the upper part 12 is irradiated to a large extent by the laser radiation, so that the remaining energy in the joining zone, ie in the region 26 of the laser-absorbing partner, ie in the lower part 14, is converted into near-surface heat until melting takes place and the components 12, 14 connect with each other. With the method according to the invention can be mentioned also plastics with high fiber contents and material thicknesses at low levels of transmission of z. B. Add 20% minimum with high strengths of approx. 25 N / mm.
Schweißbereich bedeutet dabei, dass auch Schweißnähte hergestellt werden können. Hierzu wird der Laserstrahl mit einer entsprechenden Optik in einem Linienfokus abgebildet, wobei z. B. Spotabmessungen von 1 10 mm zur Anwendung gelangen. Die Laserstrahlquelle kann sodann mittels einer Handhabungscinrichtung wie Roboter entlang der zu erzeugenden Schweißnaht geführt werden. Welding area means that welds can be made. For this purpose, the laser beam is imaged with a corresponding optics in a line focus, wherein z. B. Spot dimensions of 1 10 mm apply. The laser beam source can then be guided along the weld to be produced by means of a handling device such as robots.
Dabei kann der Träger 20 als Dreh-Kipptisch ausgebildet sein, damit alle Positionen der herzustellenden Schweißnaht von dem Roboter und somit der Laserstrah lenqu eil e angesteuert werden können. In this case, the carrier 20 may be formed as a rotary tilting table, so that all positions of the weld to be produced by the robot and thus the Laserstrah lenqu eil e can be controlled.
Die Laserleistung kann während des Schweißprozesses durch ein Pyrometer geregelt werden, um eine Zersetzung der Folie 22 zu verhindern. Die Folie 22 selbst kann für aufeinander folgende Schweißprozesse von zu fügenden Bauteilen wiederverwendet werden. The laser power can be controlled by a pyrometer during the welding process to prevent decomposition of the film 22. The film 22 itself can be reused for successive welding processes of components to be joined.

Claims

Ansprüche Verfahren und Anordnung zum Fügen von Bauteilen mittels Laserschweißens Claims Method and arrangement for joining components by means of laser welding
1. Laserschweißverfahren zum Fügen eines auf einer Ab Stützung (20) angeordneten ersten Bauteils (14) mit einem zweiten Bauteil (12), wobei die Bauteile in ihrem zu verschweißenden Bereich mittels eines für die Laserstrahlung transparenten Elements (22) druckbeaufschlagt werden, A laser welding method for joining a first component (14) arranged on a support (20) with a second component (12), wherein the components are pressurized in their region to be welded by means of a transparent element (22) for the laser radiation,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Bauteile (12, 14) in einem von der Abstützimg (20) und dem Element (22) in Form eines flexiblen Elements begrenzten Raum (25) angeordnet werden und dass der Raum mit Unterdruck beaufscHagt wird derart, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem Element zugewandten Bauteil (12) anlegt.  in that the components (12, 14) are arranged in a space (25) delimited by the support (20) and the element (22) in the form of a flexible element, and that the space is subjected to negative pressure such that the flexible element is at least partially applied to outer contour of at least the element facing the component (12).
2. Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, 2. Laser welding method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass als flexibles Element (22) eine Folie verwendet wird, die insbesondere aus einem Material au der Gruppe Silikon, PolyethylenterephthaJat besteht oder dieses enthält,  in that the flexible element (22) used is a film consisting in particular of or containing a material of the group silicone, polyethylene terephthalate,
3. Laserschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. Laser welding method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass als Folie (22) eine solche mit einer Stärke D verwendet wird, wobei 0,5 mm < D < 3 mm ist. that is used as a film (22) such a thickness D, wherein 0.5 mm <D <3 mm.
4. Laserschweißverfahren nach einem der zuvor genannten Ansprüche, 4. Laser welding method according to one of the aforementioned claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das erste und das zweite Bauteil (12, 14) übereinander angeordnet und in einem von dem zweiten Bauteil (12) abgedeckten Bereich verschweißt werden, wobei das der Laserquelle zugewandte zweite Bauteil laserstrahlendurchlässig und das erste Bauteil (14) zumindest in dem zu verschweißenden Bereich (18) laserstrahlenabsorbierend ist.  in that the first and the second component (12, 14) are arranged one above the other and welded in an area covered by the second component (12), the second component facing the laser source being laser-beam transmissive and the first component (14) at least in the region to be welded (18) is laser-absorbent.
5. Verfahren zum Fixieren und Druckbeaufschlagen von mittels Laserschweiß verfahrens auf einer Ab Stützung (20) angeordnetem und mit einem zweiten Bauteil (12) zu fügendem ersten Bauteil (14), wobei ein flexibles Element (22) über die Bauteile (12, 14) und entlang der Oberfläche (24) der Abstützung (20) gelegt wird, und von der Abstützung (20) und dem flexiblen Element (22) begrenzter Raum (25) über Öffnungen (26) in der Oberfläche evakuiert wird derart, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem flexiblen Element zugewandten Bauteil (12) anlegt. 5. A method for fixing and pressurizing by laser welding method on a Ab support (20) arranged and with a second component (12) to be joined first component (14), wherein a flexible element (22) via the components (12, 14) and along the surface (24) of the support (20) is placed, and by the support (20) and the flexible member (22) limited space (25) via openings (26) in the surface is evacuated such that the flexible Element at least partially applies to outer contour of at least the flexible element facing the component (12).
6. Verfahren nach zumindest Anspruch 5, 6. The method according to at least claim 5,
dadurch gekennzeichnet ,  characterized ,
dass das flexible Element ohne Spann- oder B efesti gungsm i ttel über die Bauteile (12,14) und entlang der Oberfläche (24) der Abstützung (20) gelegt und mittels des in de Raum (25) herrschenden Unterdrucks lagefixiert wird.  the flexible element is placed over the components (12, 14) and along the surface (24) of the support (20) without tensioning or fastening means and is fixed in position by means of the negative pressure prevailing in the space (25).
7. Anordnung (10) zum Fügen eines ersten Bauteils (14) mit einem zweiten Bauteil (12) mittels Laserstrahlen (16), umfassend eine Abstützung (20) für die Bauteile und ein Element (22), über das die Bauteile zu indest im Fügebereich (18) in Richtung der Abstützung druckbeaufschlagbar sind, 7. Arrangement (10) for joining a first component (14) with a second component (12) by means of laser beams (16), comprising a support (20) for the components and an element (22) over which the components to indest in Joining area (18) in the direction of the support are pressurizable,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Element (22) ein flexibles Element ist, und dass das flexible Element und die Abstützung (20) einen Raum (25) begrenzen, der mit Unterdruck derart beaufschlagt wird, dass sich das flexible Element zumindest bereichsweise an Außenkontur von zumindest dem dem flexiblen Element zugewandten Bauteil (12, 14) anlegt. that the element (22) is a flexible element, and that the flexible element and the support (20) delimit a space (25), which is subjected to negative pressure in such a way that the flexible element at least partially abuts Outer contour of at least the flexible element facing component (12, 14) applies.
8. Anordnung nach Anspruch 7, 8. Arrangement according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das flexible Element (22) eine Folie ist, die insbesondere aus einem Material aus der Gruppe Silikon, Polyethyl enterephthalat besteht oder dieses enthält.  that the flexible element (22) is a film which consists in particular of or contains a material from the group of silicone, polyethylene terephthalate.
9. Anordnung nach, zumindest Anspruch 7, 9. Arrangement according to, at least claim 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Folie eine Stärke D mit 0,5 mm < D < 3 mm aufweist.  the film has a thickness D of 0.5 mm <D <3 mm.
10. Anordnung nach zumindest Anspruch 7, 10. Arrangement according to at least claim 7,
dadurch gekennzeichnet f characterized f
dass bei übereinander angeordnetem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) das der Laserstrahlenquelle zugewandte zweite Bauteil (12) aus einem für die in the case of the first and second components (12, 14) arranged one above the other, the second component (12) facing the laser beam source is made of one for the
Laserstrahlung transparenten Material und das erste Bauteil (14) zumindest im zu fugenden Bereich (18) aus einem Laserstrahlen absorbierenden Material besteht. Laser radiation transparent material and the first component (14) at least in the region to be fugal (18) consists of a laser beam absorbing material.
11. Anordnung nach zumindest Anspruch 7, 11. Arrangement according to at least claim 7,
dadurch ken zeichnet ,  characterized ken
dass das zweite Bauteil (12) aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, und/oder das erste Bauteil (14) aus mit zumindest einem laserstrahlenabsorbierenden Additiv, insbesondere Ruß, versetztem Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff, besteht.  in that the second component (12) consists of plastic, in particular fiber-reinforced plastic, and / or the first component (14) consists of plastic mixed with at least one laser-absorbing additive, in particular carbon black, preferably fiber-reinforced plastic.
12. Anordnung nach zumindest Anspruch 7, 12. Arrangement according to at least claim 7,
dadurch geke nzeichnet ,  characterized geke,
dass die Abstützung (20) Absaugöffhungen (26) aufweisen, über die der Raum (25) evakuierbar ist. the support (20) has suction openings (26) through which the space (25) can be evacuated.
13. Anordnung (10) zum Fügen eines ersten Bauteils (14) mit einem zweiten Bauteil (12) mittels Laserstrahlen (16), umfassend eine Abstützung (20) für die Bauteile und ein flexibles Element (22), das mit der Abstützung (20) einen Raum (25) begrenzt, und dass die Abstützung (20) Öffnungen (26) aufweist, die zum Evakuieren des Raums an eine Unterdruckquelle angeschlossen, sind. 13. Arrangement (10) for joining a first component (14) to a second component (12) by means of laser beams (16), comprising a support (20) for the components and a flexible element (22) connected to the support (20 ) defines a space (25) and that the support (20) has openings (26) connected to a vacuum source for evacuating the space.
14, Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12, 14, Method according to at least one of claims 7 to 12,
dadurch gekennzeichnet ,  characterized ,
dass das flexible Element (25) ausschließlich durch den in dem Raum (25) herrschenden Unterdrück auf der Abstützung (20) lagefixiert ist.  the flexible element (25) is fixed in position on the support (20) solely by the pressure prevailing in the space (25).
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